Najpresnejšie hodiny na svete definujú sekundu s presnosťou na 19 desatinných miest
Všetci sa spoliehame na čas, ale čo presne je jedna sekunda? Na túto zdanlivo jednoduchú otázku hľadá odpoveď Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) v USA, ktorý sa neustále snaží merať čas s čoraz väčšou presnosťou. Nedávno ohlásil míľnik: nové optické atómové hodiny, ktoré sú najpresnejšie na svete. Sú schopné udržiavať čas s presnosťou na 19 desatinných miest.
Pre lepšiu predstavu, ak by takéto hodiny začali tikať v momente Veľkého tresku, dodnes by sa neomeškali ani o jedinú sekundu. Tento úspech predstavuje 41-percentné zlepšenie oproti predchádzajúcemu rekordu a hodiny sú 2,6-krát stabilnejšie ako podobné iónové hodiny. Princíp fungovania takýchto kvantových hodín spočíva v sledovaní neuveriteľne rýchlych a konzistentných vibrácií, alebo „tikov“, jediného atómu.
Proces je zložitý: najprv vedci izolujú ión (atóm s elektrickým nábojom) a pomocou laserov ho ochladia na teplotu blízku absolútnej nule (-273,15 °C), aby minimalizovali akýkoľvek náhodný pohyb. Následne použijú ďalší, extrémne stabilný laser na meranie frekvencie vibrácií iónu. Presne stanovený počet týchto vibrácií potom definuje jednu sekundu. Pri vývoji najnovších hodín čelili vedci z NIST výzve.
Ióny hliníka sú teoreticky vynikajúcimi časomeračmi vďaka svojej stabilite, no sú veľmi „plaché“ – je ťažké ich priamo chladiť a merať laserom. Riešenie prišlo v podobe geniálneho triku, ktorý nazvali kvantová logická spektroskopia. Vedci spárovali „plachý“ ión hliníka s ľahšie ovládateľným iónom horčíka.
Lasery potom interagujú s týmto horčíkovým „kamarátom“. Keďže sú oba ióny v pasci elektromagneticky prepojené, stav iónu hliníka sa dá odvodiť pozorovaním jeho vplyvu na horčíkový ión. Tento systém umožňuje využiť stabilitu hliníka a zároveň obísť jeho praktické nedostatky. Ide o krásny príklad základného princípu kvantovej mechaniky: nie vždy musíte niečo priamo pozorovať, aby ste poznali jeho stav.
Pozorovaním horčíkového iónu môžu vedci zistiť stav ultra stabilného hliníkového iónu bez toho, aby sa ho priamo „dotkli“ meracím laserom, čím sa zachová jeho nedotknuté tikanie. Tento prelom si však vyžiadal aj významné technické vylepšenia. Samotná iónová pasca bola prepracovaná s použitím hrubšej diamantovej doštičky a upravených elektród potiahnutých zlatom, aby sa zabránilo nepatrným pohybom, ktoré by mohli znížiť presnosť.
Zdroj Foto: NIST
Zlepšený bol aj vákuový systém, ktorý ióny lepšie izoluje od okolia. Kľúčovú úlohu zohral nový, stabilnejší merací laser s lúčom dlhým viac ako 3,2 kilometra. To umožnilo vedcom merať vibrácie iónu po celú jednu sekundu, čo je obrovský nárast oproti predchádzajúcim 150 milisekundám. Vďaka tomu sa čas potrebný na dosiahnutie rekordnej presnosti skrátil z troch týždňov na jeden a pol dňa.
Snaha o redefinovanie sekundy nie je len akademickým cvičením. Takáto úroveň presnosti má hlboké vedecké aj praktické dôsledky. Tieto hodiny môžu byť použité na testovanie Einsteinovej teórie relativity s bezprecedentnou presnosťou alebo dokonca na hľadanie temnej hmoty, ktorá by mohla jemne ovplyvňovať tikanie hodín. V geodézii dokážu takéto citlivé hodiny merať nepatrné zmeny v gravitácii, čo umožňuje detekciu podzemných tokov magmy alebo zmien v hladine podzemnej vody.
Zároveň ide o základnú technológiu pre budúce kvantové počítače a bezpečné kvantové komunikačné siete. Honba za lepšími hodinami je v skutočnosti honbou za lepším pravítkom na meranie vesmíru. Presnejším meraním času si vytvárame nové nástroje na skúmanie najhlbších záhad fyziky a budovanie technológií budúceho storočia.
Zdroj: popsci.com.
Zdroj Foto: R. JACOBSON / NIST
Zobrazit Galériu
